CN107802286B - 基于多频时间反转技术的超声成像方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多频时间反转技术的超声成像方法和系统，通过获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理；利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像，两个贯通孔的成像结果为两条沿横向方向分布的细长形区域，纵向方向长度接近零，从而使超声成像系统的纵向分辨率得到改善。本发明提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法和系统，提高了超声成像系统的纵向分辨率、成像目标还原度和超声图像质量。

Description

基于多频时间反转技术的超声成像方法和系统

技术领域

本发明涉及超声波成像领域，特别地，涉及一种基于多频时间反转技术的超声成像方法和系统。

背景技术

超声成像是利用超声波获取、记录和重现被成像目标的某种特征，由于其具有无辐射、对检测对象无创伤、易携带和结果可视化等优势，因此，在工业无损检测领域得到广泛关注，主要实现对固体材料或结构内部宏观缺陷的检测与评价。根据超声波的传播理论，当超声波在固体介质中传播时，由于声波衍射，超声成像所得图像的分辨率遵守瑞利准则，即对于给定的超声成像系统，由其得到的超声图像有一个分辨率极限，该极限与超声波的波长成正比例关系，超声波波长越短，分辨率极限值越小，说明超声成像系统的分辨能力越强。当介质中相邻点目标之间的距离小于成像系统分辨率极限时，根据超声图像无法区分这两个点目标。由于超声波的波长和频率成反比例关系，为了提高分辨率，需要使用更高工作频率的超声波，但是，超声波的工作频率越高，其在介质内部传播时的衰减就越厉害，影响系统的探测深度。因此，超声成像分辨率与系统探测深度之间的矛盾限制了超声成像在工业无损检测领域的应用。

为了解决这一问题，美国科学家提出了中心频率时间反转多信号分类法，通过理论推导和数值仿真验证该方法可以克服瑞利准则，实现超声图像中横向方向的超分辨率成像。英国科学家利用中心频率时间反转多信号分类法对不锈钢块进行成像检测，试块包含两个沿横向方向分布的贯通孔，完成了其超分辨率特性的实验验证。虽然通过中心频率时间反转多信号分类法可以提高超声成像系统的横向分辨率，但是，其成像结果存在纵向方向的延长，影响了超声成像系统的纵向分辨率。

由于现有的中心频率时间反转多信号分类法只能提高超声成像系统的横向分辨率，无法提高超声成像系统的纵向分辨率，对成像目标的还原度低，影响超声图像质量。

因此，现有的中心频率时间反转多信号分类法无法提高超声成像系统的纵向分辨率，是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种基于多频时间反转技术的超声成像方法和系统，以解决现有的中心频率时间反转多信号分类法无法提高超声成像系统的纵向分辨率的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种基于多频时间反转技术的超声成像方法，应用于超声成像系统中，超声成像系统包括试块、设于横向方向且以试块的竖直轴为对称轴对称布置于试块表面的超声相控阵探头、以及与超声相控阵探头电连接用于控制超声相控阵探头激发超声信号和接收返回的包含试块信息的超声回波信号的阵列控制器，试块上具有以竖直轴为对称轴呈对称分布的两个贯通孔，基于多频时间反转技术的超声成像方法包括以下步骤：

获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理，其中，超声阵列数据包括超声信号和超声回波信号；

利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；

将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；

根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

进一步地，超声相控阵探头包含N个阵元，获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理的步骤包括：

控制超声相控阵探头获取超声阵列数据，其中，超声阵列数据包含N×N个超声回波信号；

根据不同类型的超声波传播速度的差异，对超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号。

进一步地，利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像的步骤包括：

对超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵；

对构建的多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量；

取得到的奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间；

对于试块的成像区域中的每一个像素点，在超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量；

根据信号子空间和导向矢量，定义第一成像函数，利用中心频率时间反转多信号分类法对超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像。

进一步地，将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子的步骤包括：

提取原始超声图像的峰值点坐标；

将提取的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子。

进一步地，根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像的步骤包括：

对于试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的相位补偿因子，定义第二成像函数；

根据定义的第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

根据本发明的另一方面，还提供了基于多频时间反转技术的超声成像系统，包括试块、设于横向方向且以试块的竖直轴为对称轴对称布置于试块表面的超声相控阵探头、以及与超声相控阵探头电连接用于控制超声相控阵探头激发超声信号和接收返回的包含试块信息的超声回波信号的阵列控制器，试块上具有以竖直轴为对称轴呈对称分布的两个贯通孔，阵列控制器包括：

获取模块，用于获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理，其中，超声阵列数据包括超声信号和超声回波信号；

第一处理模块，用于利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；

计算模块，用于将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；

第二处理模块，用于根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

进一步地，超声相控阵探头包含N个阵元，获取模块包括：

获取单元，用于控制超声相控阵探头获取超声阵列数据，其中，超声阵列数据包含N×N个超声回波信号；

预处理单元，用于根据不同类型的超声波传播速度的差异，对超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号。

进一步地，第一处理模块包括：

构建单元，用于对超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵；

分解单元，用于对构建的多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量；

划分单元，取得到的奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间；

第一定义单元，用于对于试块的成像区域中的每一个像素点，在超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量；

第一成像单元，用于根据信号子空间和导向矢量，定义第一成像函数，利用中心频率时间反转多信号分类法对超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像。

进一步地，计算模块包括：

提取单元，用于提取原始超声图像的峰值点坐标；

计算单元，用于将提取的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子。

进一步地，第二处理模块包括：

第二定义单元，用于对于试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的相位补偿因子，定义第二成像函数；

第二成像单元，用于根据定义的第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法和系统，通过获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理，其中，超声阵列数据包括超声信号和超声回波信号；利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像，两个贯通孔的成像结果为两条沿横向方向分布的细长形区域，纵向方向长度接近零，从而使超声成像系统的纵向分辨率得到改善。本发明提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法和系统，提高了超声成像系统的纵向分辨率、成像目标还原度和超声图像质量。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明基于多频时间反转技术的超声成像方法优选实施例的流程示意图；

图2是本发明超声成像系统的功能框图；

图3是利用中心频率时间反转多信号分类法得到的原始超声图像的成像示意图；

图4是利用多频时间反转多信号分类法得到的最终超声图像的成像示意图；

图5是图1中获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理的步骤的细化流程示意图；

图6是图1中利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像的步骤的细化流程示意图；

图7是图1中将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子的步骤的细化流程示意图；

图8是图1中根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像的步骤的细化流程示意图；

图9是本发明超声成像系统中的阵列控制器的功能模块示意图；

图10是图9中获取模块的功能模块示意图；

图11是图9中第一处理模块的功能模块示意图；

图12是图9中计算模块的功能模块示意图；

图13是图9中第二处理模块的功能模块示意图。

附图标号说明：

10、试块；20、超声相控阵探头；30、阵列控制器；11、贯通孔；31、获取模块；32、第一处理模块；33、计算模块；34、第二处理模块；311、获取单元；312、预处理单元；321、构建单元；322、分解单元；323、划分单元；324、第一定义单元；325、第一成像单元；331、提取单元；332、计算单元；341、第二定义单元；342、第二成像单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种基于多频时间反转技术的超声成像方法，应用于超声成像系统中，如图2所示，超声成像系统包括试块10、设于横向方向且以试块10的竖直轴为对称轴对称布置于试块10表面的超声相控阵探头20、以及与超声相控阵探头20电连接用于控制超声相控阵探头20激发超声信号和接收返回的包含试块信息的超声回波信号的阵列控制器30，试块10上具有以竖直轴为对称轴呈对称分布的两个贯通孔11，其中，请见图2，超声相控阵探头20按照对称布置在试块10表面，与超声相控阵探头20平行的方向为横向方向X，与超声相控阵探头20垂直的方向为纵向方向Z。阵列控制器30设置阵列控制器参数，控制超声相控阵探头20激发超声信号和接收超声回波信号，经过处理后得到超声图像，直观反映试块特征，超声回波信号包含试块信息。试块10为60λ×60λ的钢板，钢板上设置有缺陷。其中λ表示超声波波长，试块10包含两个相邻的直径为1mm的贯通孔11，两个贯通孔11之间的距离d＝2.6λ，贯通孔距离超声相控阵探头的距离z＝39λ。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法包括以下步骤：

步骤S100、获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理，其中，超声阵列数据包括超声信号和超声回波信号。

控制超声相控阵探头获取超声阵列数据，对超声相控阵探头获取的超声阵列数据进行加窗预处理，获取有用信号。

步骤S200、利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像。

如图3所示，利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像，两个贯通孔的成像结果为两条沿纵向方向分布的狭长形区域，纵向方向长度接近6λ。

步骤S300、将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子。

根据原始超声图像，提取位置信息，得到原始超声图像的峰值点坐标，并将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子。

步骤S400、根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

如图4所示，根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像，两个贯通孔的成像结果为沿横向方向分布的细长形区域，纵向方向长度接近零。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，通过获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理，其中，超声阵列数据包括超声信号和超声回波信号；利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像，两个贯通孔的成像结果为两条沿横向方向分布的细长形区域，纵向方向长度接近零，从而使超声成像系统的纵向分辨率得到改善。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，提高了超声成像系统的纵向分辨率、成像目标还原度和超声图像质量。

优选地，如图5所示，本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，步骤S100包括：

步骤S110、控制超声相控阵探头获取超声阵列数据，其中，超声阵列数据包含N×N个超声回波信号。

对于一个包含N个阵元的超声相控阵探头，控制其获取超声阵列数据过程如下：取其第1个阵元作为激励阵元，同时1～N个阵元作为接收阵元，可接收N个超声回波信号；取其第2个阵元作为激励阵元，同时1～N个阵元为接收阵元，可接收N个超声回波信号；依次执行该过程，直至取其第N个阵元作为激励阵元，同时1～N个阵元作为接收阵元，可接收N个超声回波信号，由该方式获取的超声阵列数据包含N×N个超声回波信号。

步骤S120、根据不同类型的超声波传播速度的差异，对超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号。

由于声波在固体介质中传播时，超声纵波、超声横波以及其它转换波型同时存在，根据不同类型的超声波传播速度的差异，对超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，通过控制超声相控阵探头获取超声阵列数据，其中，超声阵列数据包含N×N个超声回波信号；根据不同类型的超声波传播速度的差异，对超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，提高了超声图像质量。

优选地，如图6所示，本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，步骤S200包括：

步骤S210、对超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵。

对超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，提取超声相控阵探头的探头中心频率点ω_c处对应的复数值，并将提取的中心频率点ω_c处对应的复数值作为输入，构建多态响应矩阵K，由于超声阵列数据包含N×N个超声回波信号，因此，K是一个N×N的复矩阵。

步骤S220、对构建的多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量。

对构建的多态响应矩阵K执行奇异值分解，得到对角矩阵∑以及酉矩阵U和V，多态响应矩阵K为：

K＝UΣV^H (1)

其中，K为多态响应矩阵；S为对角矩阵，其主轴上的元素为以降序排列的奇异值；U为酉矩阵，其列向量为左奇异向量；V为酉矩阵，其列向量为右奇异向量；H表示共轭转置。

步骤S230、取得到的奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间。

取最大奇异值的10％作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，大于该阈值的奇异值所对应的左奇异向量作为信号子空间U_S、大于该阈值的奇异值所对应的右奇异向量作为信号子空间V_S；其余左奇异向量作为噪声子空间U_N、其余右奇异向量作为噪声子空间V_N。

步骤S240、对于试块的成像区域中的每一个像素点，在超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量。

对于试块的成像区域中的每一个像素点r，在探头阵元位置R_j(j＝1～N)已知的情况下，定义导向矢量g(r,ω_c)，导向矢量g(r,ω_c)为：

g(r,ω_c)＝[G(R₁,r,ω_c),G(R₂,r,ω_c),.......,G(R_N,r,ω_c)]^T (2)

其中，g(r,ω_c)为导向矢量；T表示转置；G(R_N,r,ω_c)表示探头阵元位置R和像素点r之间的格林函数。

步骤S250、根据信号子空间和导向矢量，定义第一成像函数，利用中心频率时间反转多信号分类法对超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像。

根据信号子空间U_S、V_S和导向矢量g(r,ω_c)，定义第一成像函数，第一成像函数为：

其中，I(r,ω_c)为第一成像函数；U_S和V_S为信号子空间；g(r,ω_c)为导向矢量；*表示共轭，H表示共轭转置。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，通过对超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵；对构建的多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量；取得到的奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间；对于试块的成像区域中的每一个像素点，在超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量；根据信号子空间和导向矢量，定义第一成像函数，利用中心频率时间反转多信号分类法对超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，提高了超声图像质量。

优选地，如图7所示，本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，步骤S300包括：

步骤S310、提取原始超声图像的峰值点坐标。

根据原始超声图像，提取位置信息，得到原始超声图像的峰值点坐标r_p。

步骤S320、将提取的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子。

将原始超声图像的峰值点坐标r_p作为输入，计算相位补偿因子α(ω)，相位补偿因子α(ω)为：

其中，α(ω)为相位补偿因子，exp是以自然对数e为底的指数函数，φ为相位，U_S和V_S为信号子空间；g(r_p,ω)为导向矢量；H表示共轭转置；*表示共轭。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，通过提取原始超声图像的峰值点坐标；将提取的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子，以通过包含相位补偿因子的多频时间反转多信号分类法得到最终超声图像。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，提高了超声成像系统的纵向分辨率、成像目标还原度和超声图像质量。

优选地，如图8所示，本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，步骤S400包括：

步骤S410、对于试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的相位补偿因子，定义第二成像函数。

对于试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的相位补偿因子，定义第二成像函数，第二成像函数为：

其中，I(r,Δω)为第二成像函数；α(ω)为相位补偿因子，g(r,ω)为导向矢量；Δω为带宽；N_ω为宽带范围内的频率点数目；*表示共轭；H表示共轭转置。

步骤S420、根据定义的第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

根据定义的第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像，多频时间反转多信号分类法与中心频率时间反转多信号分类法处理流程相同，请见图4，两个贯通孔的成像结果为沿横向方向分布的细长形区域，纵向方向长度接近零。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，对于试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的相位补偿因子，定义第二成像函数；根据定义的第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像方法，提高了超声成像系统的纵向分辨率、成像目标还原度和超声图像质量。

优选地，如图9所示，本实施例还提供了基于多频时间反转技术的超声成像系统，包括试块10、设于横向方向且以试块10的竖直轴为对称轴对称布置于试块10表面的超声相控阵探头20、以及与超声相控阵探头20电连接用于控制超声相控阵探头20激发超声信号和接收返回的包含试块信息的超声回波信号的阵列控制器30，试块10上具有以竖直轴为对称轴呈对称分布的两个贯通孔11，阵列控制器30包括获取模块31、第一处理模块32、计算模块33和第二处理模块34，其中，获取模块31，用于获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理，其中，超声阵列数据包括超声信号和超声回波信号；第一处理模块32，用于利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；计算模块33，用于将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；第二处理模块34，用于根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

获取模块31控制超声相控阵探头获取超声阵列数据，对超声相控阵探头获取的超声阵列数据进行加窗预处理，获取有用信号。

第一处理模块32利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像，如图3所示，两个贯通孔的成像结果为两条沿纵向方向分布的狭长形区域，纵向方向长度接近6λ。

计算模块33根据原始超声图像，提取位置信息，得到原始超声图像的峰值点坐标，并将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子。

第二处理模块34根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像，如图4所示，两个贯通孔的成像结果为沿横向方向分布的细长形区域，纵向方向长度接近零。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，通过获取超声阵列数据并对获取的超声阵列数据进行预处理，其中，超声阵列数据包括超声信号和超声回波信号；利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；将得到的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；根据计算出的相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像，两个贯通孔的成像结果为两条沿横向方向分布的细长形区域，纵向方向长度接近零，从而使超声成像系统的纵向分辨率得到改善。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，提高了超声成像系统的纵向分辨率、成像目标还原度和超声图像质量。

优选地，如图10所示，本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，超声相控阵探头包含N个阵元，获取模块31包括获取单元311和预处理单元312，其中，获取单元311，用于控制超声相控阵探头获取超声阵列数据，其中，超声阵列数据包含N×N个超声回波信号；预处理单元312，用于根据不同类型的超声波传播速度的差异，对超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号。

对于一个包含N个阵元的超声相控阵探头，获取单元311控制其获取超声阵列数据过程如下：取其第1个阵元作为激励阵元，同时1～N个阵元作为接收阵元，可接收N个超声回波信号；取其第2个阵元作为激励阵元，同时1～N个阵元为接收阵元，可接收N个超声回波信号；依次执行该过程，直至取其第N个阵元作为激励阵元，同时1～N个阵元作为接收阵元，可接收N个超声回波信号，由该方式获取的超声阵列数据包含N×N个超声回波信号。

由于声波在固体介质中传播时，超声纵波、超声横波以及其它转换波型同时存在，预处理单元312根据不同类型的超声波传播速度的差异，对超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，通过控制超声相控阵探头获取超声阵列数据，其中，超声阵列数据包含N×N个超声回波信号；根据不同类型的超声波传播速度的差异，对超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，提高了超声图像质量。

优选地，如图11所示，本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，第一处理模块32包括构建单元321、分解单元322、划分单元323、第一定义单元324和第一成像单元325，其中，构建单元321，用于对超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵；分解单元322，用于对构建的多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量；划分单元323，取得到的奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间；第一定义单元324，用于对于试块的成像区域中的每一个像素点，在超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量；第一成像单元325，用于根据信号子空间和导向矢量，定义第一成像函数，利用中心频率时间反转多信号分类法对超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像。

构建单元321对超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，提取超声相控阵探头的探头中心频率点ω_c处对应的复数值，并将提取的中心频率点ω_c处对应的复数值作为输入，构建多态响应矩阵K，由于超声阵列数据包含N×N个超声回波信号，因此，K是一个N×N的复矩阵。分解单元322对构建的多态响应矩阵K执行奇异值分解，得到对角矩阵∑以及对应的酉矩阵U和V，多态响应矩阵K为：

K＝UΣV^H (6)

其中，K为多态响应矩阵；∑为对角矩阵，其主轴上的元素为以降序排列的奇异值；U为酉矩阵，其列向量为左奇异向量；V为酉矩阵，其列向量为右奇异向量；H表示共轭转置。

取最大奇异值的10％作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，大于该阈值的奇异值所对应的左奇异向量作为信号子空间U_S、大于该阈值的奇异值所对应的右奇异向量作为信号子空间V_S；其余左奇异向量作为噪声子空间U_N、其余右奇异向量作为噪声子空间V_N。

第一定义单元324对于试块的成像区域中的每一个像素点r，在探头阵元位置R_j(j＝1～N)已知的情况下，定义导向矢量g(r,ω_c)，导向矢量g(r,ω_c)为：

g(r,ω_c)＝[G(R₁,r,ω_c),G(R₂,r,ω_c),.......,G(R_N,r,ω_c)]^T (7)

其中，g(r,ω_c)为导向矢量；T表示转置；G(R_N,r,ω_c)表示探头阵元位置R和像素点r之间的格林函数。

第一成像单元325根据信号子空间U_S、V_S和导向矢量g(r,ω_c)，定义第一成像函数，第一成像函数为：

其中，I(r,ω_c)为第一成像函数；U_S和V_S为信号子空间；g(r,ω_c)为导向矢量；*表示共轭，H表示共轭转置。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，通过对超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵；对构建的多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量；取得到的奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间；对于试块的成像区域中的每一个像素点，在超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量；根据信号子空间和导向矢量，定义第一成像函数，利用中心频率时间反转多信号分类法对超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，提高了超声图像质量。

优选地，如图12所示，本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，计算模块33包括提取单元331和计算单元332，其中，提取单元331，用于提取原始超声图像的峰值点坐标；计算单元332，用于将提取的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子。

提取单元331根据原始超声图像，提取位置信息，得到原始超声图像的峰值点坐标r_p。

计算单元332将原始超声图像的峰值点坐标r_p作为输入，计算相位补偿因子α(ω)，相位补偿因子α(ω)为：

其中，α(ω)为相位补偿因子，exp是以自然对数e为底的指数函数，φ为相位，U_S和V_S为信号子空间；g(r_p,ω)为导向矢量；H表示共轭转置；*表示共轭。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，通过提取原始超声图像的峰值点坐标；将提取的原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子，以通过包含相位补偿因子的多频时间反转多信号分类法得到最终超声图像。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，提高了超声成像系统的纵向分辨率、成像目标还原度和超声图像质量。

优选地，如图13所示，本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，第二处理模块34包括第二定义单元341和第二成像单元342，其中，第二定义单元341，用于对于试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的相位补偿因子，定义第二成像函数；第二成像单元342，用于根据定义的第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

第二定义单元341对于试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的相位补偿因子，定义第二成像函数，第二成像函数为：

其中，I(r,Δω)为第二成像函数；α(ω)为相位补偿因子，g(r,ω)为导向矢量；Δω为带宽；N_ω为宽带范围内的频率点数目；*表示共轭；H表示共轭转置。

第二成像单元342根据定义的第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像，多频时间反转多信号分类法与中心频率时间反转多信号分类法处理流程相同，请见图4，两个贯通孔的成像结果为沿横向方向分布的细长形区域，纵向方向长度接近零。

本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，对于试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的相位补偿因子，定义第二成像函数；根据定义的第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。本实施例提供的基于多频时间反转技术的超声成像系统，提高了超声成像系统的纵向分辨率、成像目标还原度和超声图像质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多频时间反转技术的超声成像方法，其特征在于，应用于超声成像系统中，所述超声成像系统包括试块(10)、设于横向方向且以所述试块(10)的竖直轴为对称轴对称布置于所述试块(10)表面的超声相控阵探头(20)、以及与所述超声相控阵探头(20)电连接用于控制所述超声相控阵探头(20)激发超声信号和接收返回的包含试块信息的超声回波信号的阵列控制器(30)，所述试块(10)上具有以所述竖直轴为对称轴呈对称分布的两个贯通孔(11)，所述基于多频时间反转技术的超声成像方法包括以下步骤：

获取超声阵列数据并对获取的所述超声阵列数据进行预处理，其中，所述超声阵列数据包括所述超声信号和所述超声回波信号；

利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；

将得到的所述原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；

根据计算出的所述相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像；

所述超声相控阵探头包含N个阵元，所述获取超声阵列数据并对获取的所述超声阵列数据进行预处理的步骤包括：

利用所述超声相控阵探头获取所述超声阵列数据，其中，所述超声阵列数据包含N×N个超声回波信号；

根据不同类型的超声波传播速度的差异，对所述超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号；

所述利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像的步骤包括：

对所述超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的所述超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵；

对构建的所述多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量，具体为：对构建的多态响应矩阵K执行奇异值分解，得到对角矩阵Σ以及酉矩阵U和V，多态响应矩阵K为：

K＝UΣV^H (1)

其中，K为多态响应矩阵；Σ为对角矩阵，其主轴上的元素为以降序排列的奇异值；U为酉矩阵，其列向量为左奇异向量；V为酉矩阵，其列向量为右奇异向量；H表示共轭转置；

取得到的所述奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将所述奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，即取最大奇异值的10％作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，大于该阈值的奇异值所对应的左奇异向量作为信号子空间U_S、大于该阈值的奇异值所对应的右奇异向量作为信号子空间V_S；其余左奇异向量作为噪声子空间U_N、其余右奇异向量作为噪声子空间V_N；

对于所述试块的成像区域中的每一个像素点，在所述超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量，导向矢量为：

g(r，ω_c)＝[G(R₁，r，ω_c)，G(R₂，r，ω_c)，.......，G(R_N，r，ω_c)]^T (2)

其中，g(r,ω_c)为导向矢量；T表示转置；G(R_N,r,ω_c)表示探头阵元位置R和像素点r之间的格林函数；

根据所述信号子空间和所述导向矢量，定义第一成像函数，利用所述中心频率时间反转多信号分类法对所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像，所述第一成像函数为：

其中，I(r,ω_c)为第一成像函数；U_S和V_S为信号子空间；g(r,ω_c)为导向矢量；*表示共轭，H表示共轭转置；

所述将得到的所述原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子的步骤包括：

提取所述原始超声图像的峰值点坐标；

将提取的所述原始超声图像的所述峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子，相位补偿因子α(ω)为：

其中，α(ω)为相位补偿因子，exp是以自然对数e为底的指数函数，φ为相位，U_S和V_S为信号子空间；g(r_p,ω)为导向矢量；H表示共轭转置；*表示共轭；

所述根据计算出的所述相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像的步骤包括：

对于所述试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的所述相位补偿因子，定义第二成像函数，第二成像函数为：

其中，I(r,Δω)为第二成像函数；α(ω)为相位补偿因子，g(r,ω)为导向矢量；Δω为带宽；N_ω为宽带范围内的频率点数目；*表示共轭；H表示共轭转置；

根据定义的所述第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

2.一种基于多频时间反转技术的超声成像系统，其特征在于，包括试块(10)、设于横向方向且以所述试块(10)的竖直轴为对称轴对称布置于所述试块(10)表面的超声相控阵探头(20)、以及与所述超声相控阵探头(20)电连接用于控制所述超声相控阵探头(20)激发超声信号和接收返回的包含试块信息的超声回波信号的阵列控制器(30)，所述试块(10)上具有以所述竖直轴为对称轴呈对称分布的两个贯通孔(11)，所述阵列控制器(30)包括：

获取模块(31)，用于获取超声阵列数据并对获取的所述超声阵列数据进行预处理，其中，所述超声阵列数据包括所述超声信号和所述超声回波信号；

第一处理模块(32)，用于利用中心频率时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像；

计算模块(33)，用于将得到的所述原始超声图像的峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子；

第二处理模块(34)，用于根据计算出的所述相位补偿因子，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像；

所述超声相控阵探头包含N个阵元，所述获取模块(31)包括：

获取单元(311)，用于利用所述超声相控阵探头获取所述超声阵列数据，其中，所述超声阵列数据包含N×N个超声回波信号；

预处理单元(312)，用于根据不同类型的超声波传播速度的差异，对所述超声阵列数据中的每一个超声回波信号进行加窗预处理，获取有用信号；

所述第一处理模块(32)包括：

构建单元(321)，用于对所述超声阵列数据中的每一个超声回波信号执行快速傅里叶变换，将提取的所述超声相控阵探头的探头中心频率点处对应的复数值作为输入，构建探头中心频率点处对应的多态响应矩阵；

分解单元(322)，用于对构建的所述多态响应矩阵执行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量，具体为：对构建的多态响应矩阵K执行奇异值分解，得到对角矩阵Σ以及酉矩阵U和V，多态响应矩阵K为：

K＝UΣV^H (1)

其中，K为多态响应矩阵；Σ为对角矩阵，其主轴上的元素为以降序排列的奇异值；U为酉矩阵，其列向量为左奇异向量；V为酉矩阵，其列向量为右奇异向量；H表示共轭转置；

划分单元(323)，取得到的所述奇异值中的最大值的设定百分量作为阈值，将所述奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，即取最大奇异值的10％作为阈值，将奇异向量划分为信号子空间和噪声子空间，大于该阈值的奇异值所对应的左奇异向量作为信号子空间U_S、大于该阈值的奇异值所对应的右奇异向量作为信号子空间V_S；其余左奇异向量作为噪声子空间U_N、其余右奇异向量作为噪声子空间V_N；

第一定义单元(324)，用于对于所述试块的成像区域中的每一个像素点，在所述超声相控阵探头的探头阵元位置已知的情况下，定义导向矢量，导向矢量为：

g(r，ω_c)＝[G(R₁，r，ω_c)，G(R₂，r，ω_c)，.......，G(R_N，r，ω_c)]^T (2)

其中，g(r,ω_c)为导向矢量；T表示转置；G(R_N,r,ω_c)表示探头阵元位置R和像素点r之间的格林函数；

第一成像单元(325)，用于根据所述信号子空间和所述导向矢量，定义第一成像函数，利用所述中心频率时间反转多信号分类法对所述超声阵列数据进行处理，得到原始超声图像，所述第一成像函数为：

其中，I(r,ω_c)为第一成像函数；U_S和V_S为信号子空间；g(r,ω_c)为导向矢量；*表示共轭，H表示共轭转置；

所述计算模块(33)包括：

提取单元(331)，用于提取所述原始超声图像的峰值点坐标；

计算单元(332)，用于将提取的所述原始超声图像的所述峰值点坐标作为输入，计算相位补偿因子，相位补偿因子α(ω)为：

其中，α(ω)为相位补偿因子，exp是以自然对数e为底的指数函数，φ为相位，U_S和V_S为信号子空间；g(r_p,ω)为导向矢量；H表示共轭转置；*表示共轭；

所述第二处理模块(34)包括：

第二定义单元(341)，用于对于所述试块的成像区域中的每一个像素点，根据计算出的所述相位补偿因子，定义第二成像函数，第二成像函数为：

其中，I(r,Δω)为第二成像函数；α(ω)为相位补偿因子，g(r,ω)为导向矢量；Δω为带宽；N_ω为宽带范围内的频率点数目；*表示共轭；H表示共轭转置；

第二成像单元(342)，用于根据定义的所述第二成像函数，利用多频时间反转多信号分类法对预处理后的所述超声阵列数据进行处理，得到最终超声图像。

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